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1、岩石声波岩石声波声波岩石参数测定仪 随着超声探测技术的发展，相应的研制出了各种探测仪器，应用于岩体（岩石）超声探测的仪器和设备，它是以岩石力学特性为基础，研究声波或超声波在岩体（岩石）的传播规律，借以了解岩体（岩石）的动弹力学状态及其结构特征。目前国内外的探测仪器种类甚多，性能也各不相同，但它们的基本原理都大同小异。大体上具有发射、接收和记录（显示）三个系统，以及“电声”转换及“声电”转换系统。其工作的基本方法也不外乎如图所示。发射系统样 品接收放大系统记录显示系统分解折析系统121.发射换能器2.接收换能器仪器测量工作原理方框图353627282937383433323031SYC3 仪器后
2、面板部件仪器后面板部件保险丝座 直流供电12V保险丝2.5A 282729303132220V 220V电压输入保险丝座 220V、1.5A保险丝保险丝座 220V、1.5A保险丝+12V接线柱（红）直流供电12V正极输入接线柱接线柱（黑）直流供电12V负极输入接线柱33单线、四线转换开关 单线或四线扫描控制开关34同步周期 同步周期可变，余振长时可用8ms，余振短时可用1ms，又同时处于单线工作状态时，可增加亮度35800V发射 在较大距离测试时用该发射36高压发射关 可开、关800V高压发射，即800V发射及前面板上的窄脉冲发射可同时发射，也可分别发射，只用窄脉冲发射时，可将800V发射关
3、闭，以减小仪器功耗，用800V发射时，应用长（8ms）同步周期，以免仪器负荷太重37打印输出 打印时，记录信号、打印指令、回答指令输出、输入插座38参考电平 为12V的参考电平，由于+12V直流电源输入接线柱30）内串有保护二极管，当交流220V供电时30）无电压输出，故另配该+12V参考电平接线柱有+11.3V电平输出（二）操作步骤：（二）操作步骤：1.1.手动测时手动测时（1）接通电源（220V或直流12V），打开电源开关，数码管亮，稍过片刻，调节“辉度”、“聚焦”、“上下”、“左右”等旋钮，按动“扫描宽度”按钮，应有一扫描线出现。（2）将发射换能器电缆接入“发射”插座，接收换能器电缆接入
4、“输入”（或、）插座，并将换能器与样品耦合好，耦合剂一般用水、黄油、凡士林等，对横波换能器则最好要用水杨酸苯脂。（3）将种类开关拨至“自动测幅”挡，“0.1s.0.01s”开关拨至0.1s 挡，“左移、右移”开关拨至右移位置，按动“移位、复零”按钮，此时动时标扫描清零，同时将种类开关拨至“自动测时”挡，按动“扫描宽度”键，并调节放大器的衰减及增益，使波形理想的显示在屏幕上。如果需要扫描延时，把展开波形往左移、时标右移动，可按下“快移”键，并由“左移、右移”开关决定波形的左移或时标的右移，其移动速率由“取样间隔”和“0.1s.0.01s”开关控制，延时到需要的位置，手即松开，这时将种类开关拨至“
5、手动”位置，同样按下“移位、复零”键，并由“左移、右移”开关决定波形或时标的左移或右移，“取样间隔”和“0.1s.0.01s”开关决定其移动的速度。（2）将发射换能器电缆接入“发射”插座，接收换能器电缆接入“输入”（或、）插座，并将换能器与样品耦合好，耦合剂一般用水、黄油、凡士林等，对横波换能器则最好要用水杨酸苯脂。快移快移（4）调节“手动时标”多圈电位器对动时标进行微调，这时数码管右窗显示数字即为被测时间数。需注意一般应将动时标调至被测点的右侧，然后再慢慢向左移，将时标前沿对准被测位置，这样时标不陡的后沿引起的波形畸变不至于干扰被测波形的识别。（3）将种类开关拨至“自动测幅”挡，“0.1s.
6、0.01s”开关拨至0.1s 挡，“左移、右移”开关拨至右移位置，按动“移位、复零”按钮，此时动时标扫描清零，同时将种类开关拨至“自动测时”挡，按动“扫描宽度”键，并调节放大器的衰减及增益，使波形理想的显示在屏幕上。如果需要扫描延时，把展开波形往左移、时标右移动，可按下“快移”键，并由“左移、右移”开关决定波形的左移或时标的右移，其移动速率由“取样间隔”和“0.1s.0.01s”开关控制，延时到需要的位置，手即松开，这时将种类开关拨至“手动”位置，同样按下“移位、复零”键，并由“左移、右移”开关决定波形或时标的左移或右移，“取样间隔”和“0.1s.0.01s”开关决定其移动的速度。（5）数码窗
7、右窗显示的是时间数X，包括了仪器的系统延时及换能器、耦合剂的延时0，只有扣除了这些延时才是实际在试件中的声波走时，即=X0。测0 时将换能器对接测时，这时应将发射脉冲宽度调至较小，放大器衰减拨至较大，以免输入信号过强使输入前放管烧坏。对于每一对换能器，测量一次0 后，可记录下来不必每次都去测量一次0。将后面板上的“单线，四线”开关拨至四线，则仪器允许三路信号同时分别输入以便进行多路测量、波形比较、同相轴测量，除了“手动测时”外，其余的工作状态（自动测时，手动测幅，自动测幅）均应工作在单线工作状态。同步周期的使用，8ms同步周期用于长余振的波形测量，1ms用于高频，短余振波的测量。发射脉冲宽度的
8、调节：调节发射脉冲宽度，使接收波的振幅最大，余振最短为宜；有时通过调节脉宽可以观察各波组相位的变化，以利于波组初始相位的识别，测量横波时，它往往是有用的。使用横波换能器时，更显得必要。2.2.自动测时：自动测时：（1）仪器应处于单线工作状态，按手动测时的方法调整好被测的波形，并将动时标调到被测波形前的任一位置。（2）将种类开关由“手动”挡拨至“自动测时”挡，不按“移动、复零”键，动时标将自动由波的初动到达时刻决定，即落在波的初动上面，离初动起跳点有一延时，加大放大器的增益，会减小该延时。（3）应注意只可用“0.1s”挡数码显示，动时标不可调至初至波的后面，否则显示数将由时标确定，而不是由初动来
9、决定了。3.3.手动测幅：手动测幅：（1）仪器应处于单线工作状态，按手动测时方法将波形调好，“种类开关”处于“手动”挡，将动时标调到初动的前面。（2）用螺丝刀调节“测幅调零”，使数码窗左窗显示为“000”或“001”。（3）调节动时标至所要测振幅位置，数码窗左窗显示数即为被测振幅值，满屏时，振幅值约为200，超出屏幕最大可测到260。同步周期1ms时可测振幅的时间范围为0400s，同步周期8ms时，可测振幅的时间范围为07.5ms。（4）测幅时，往往时标前沿对准振幅最大值时，而数码管显示的数值不是最大值，在高频测量时，这一差异较明显，这是由于保持电容保持的电压为取样脉冲后沿时的振幅值，而动时标
10、的前沿是相应于取样脉冲的前沿时刻，同时还有电路的延时，使之存在差异。4.4.自动测幅：自动测幅：（1）仪器应处于单线工作状态，按手动测时方式将波形调好。（2）种类开关拨至“自动测幅”挡。（3）按“取样间隔”开关确定所需取样间隔。（4）“手动时标”多圈电位器调至最小，“0.1s 0.01s”开关拨至0.1s挡。（5）按动“移动、复零”键，检查数码窗右窗的显示数字，是否按所需间隔时间变化，若不稳定可适当调节多圈电位器，使之稳定。（6）接好后面板打印插座，按动“移动、复零”键，松手后即开始自动采样。1.开机后要预热烈10分钟，特别是测幅时，机器才可稳定。2.单线工作时，放大器只能使用第通道。3.“自
11、动测时”，“手动测幅”，“自动测幅”时均只能工作在单线状态，以防四线干扰。4.“自动测时”只可用0.1s测时挡。5.开机工作后，宜先将种类开关拨至“自动测幅”挡及“0.1s”挡，先按一下“移位、复零”键，使仪器处于初始同步状态。6.高频短余振测试时，宜用单线，1ms同步周期，8ms同步周期用于长余振形测量。7.交、直流电源不可同时接入使用。8.后面板“800V”开关应置“关”的位置，使用时应同时将同步周期拨至8ms位置。9.调节“脉冲宽度”，使接收波形振幅最大，余振最短为宜，有时可通过调节脉宽观察各波组相位的变化，利用波组初始相位的识别，特别在测量横波时，更为必要。（四）注意事项：（四）注意事
12、项：10.实验结束应该关闭电源。11.实验时若需快速移动时标时，可将种类开关拨至“自动测幅”挡，“左移、右移”开关拨至“右移”，这时按下“快移”按钮，时标即快速移动，松开即恢复自动移动，若要快速移动波形，要将“左移、右移”开关拨至“左移”，按下“快移”钮即可。岩石波速的测量岩石波速的测量 （一）（一）实验目的：实验目的：室内岩石样品的测量是野外现场测定地质解释的基础。熟练使用声波仪，掌握波速测量的方法，学会正确识别纵波及横波。（三）原理及装置：（三）原理及装置：大多数岩石，都服从基于线性理论的虎克定律，即小的形变与所施加的载荷成正比。在岩石介质中，超声波的传播遵循弹性波动方程。从而可得到两部分
13、，无旋波和等体积波即纵波（波）和横波（波）。超声波实质上就是质点振动在介质中传播的过程。如何产生振动，我们采用压电陶瓷，用声波仪产生高频电脉冲激发压电陶瓷片，使它产生机械波即振动，这振动经探头与样品间的耦合层后，在介质中传播，到达样品的另一端时，被接收探头接收，接收探头反之将此振动又转换为电脉冲信号送入声波仪中，这脉冲发射与接收间的时差由一高精度的时间测量装置测出，扣除波在探头于样品间的耦合层中的传播时间，即得到波在介质中的传播时间，从而得到介质的波速。测量弹性波速度的方法基本分为三类：共振法、脉冲法（pulse transmission）和干涉法（ultrasonic interferome
14、try）。其应用范围和测量精度如下：方方 法法频率范围频率范围适用条件适用条件精度精度（%）高压高压高温高温共共振振法法 圆柱或棱柱的共振圆柱或棱柱的共振 组合共振组合共振1-30 kHz1-30 kHz90-250 kHz90-250 kHz不适用不适用适用适用适用适用适用适用5 51-21-2脉脉冲冲法法 脉冲法脉冲法 回声法回声法50 kHz-10 MHz50 kHz-10 MHz10 MHz10 MHz适用适用适用适用适用适用不适用不适用1-31-30.50.5干干涉涉法法 相位比较法相位比较法 脉冲迭加法脉冲迭加法10-60 MHz10-60 MHz10-60 MHz10-60 MH
15、z适用适用适用适用适用适用适用适用0.010.010.040.04表中：L-样品长度，f-谐振频率，n-整数（n=1,2,3），t-时间，-声波往返滞后时间 当超声波的波长比研究的物体小许多时，物体可近似地看作无界的，可以证明，任意扰动产生的初动在介质中以纵波速度VP或横波速度VS传播。因此，我们可以将两个超声波探头放置在样品的两个端面上，当脉冲发生器产生的高压电脉冲信号加在发射探头上时，探头受到激发，产至一个瞬态的振动（P波或者S波取决于探头的振动方式），该振动经过探头与样品间的耦合后，在介质中传播，到达样品另一端时，被接收探头所收到。脉冲发生时间与接收时间之差T 被一高精度的时间测定仪测出
16、，扣除波在探头与样品间耦合层中传播的时间T0后，即得到波在介质中传播的时间Tt：Tt=T-T0波速可以由样品长度与Tt 之商给出：V=L/Tt超声脉冲法：超声脉冲法：岩 样脉冲发生器时标发生器延时器电子计数器前置放大器示波器发射探头接收探头国际岩石力学协会推荐的脉冲法测量波速的方框图 脉冲发生器产生的电压脉冲同时用来触发示波器扫描、岩石样品上的发射探头和触发时标发生器工作。经常采用双线示波器，一条线记录接收探头接收到的信号，另一条记录通过延时器后的发射信号。调节延时器的延时长度，使示波器上显示的两个记录波形的初动对齐，这时，延时器的“延时”就等于波传播的时间。图中的电子计数器用作“时间间隔测定
17、”用，发射脉冲使其开始计数，经过前置放大器的接收信号使其停止计数，它的计数是与传播时间成比例的。这样测出的时间是上式中的T，关于波在探头及耦合层中传播的时间可以将两个探头直接接触予以测定。实验中选取适当的探头和最佳的脉冲激发频率是十分重要的。我们知道，表征探头的两个主要参数是它的谐振频率和阻尼。如果一个电压脉冲加在发射探头上、脉冲前沿产生的振动与脉冲后沿产生的信号会互相干涉。当改变发射脉冲宽度时会得到很复杂的结果。如果脉冲宽度过窄，则前沿产生的振动还未达到最大振幅，就被后沿产生的振动抵消了。如果发射脉冲宽度很宽，前沿和后沿的波形会发生严重的干涉。经验表明，当脉冲宽度等于探头谐振周期的0.6-0
18、.8倍时，效果较好。脉冲法的主要问题在于如何精确地测量脉冲在样品中传播的走时。无论加在发射探头上的电压脉冲多么尖锐，探头总是逐渐开始振动的，如果探头的阻尼大，则起振慢，振动衰减快。反之亦然。而接收到的脉冲也总是逐渐上升的，因此，很难精确地测量接收到达的准确时刻。超声脉冲法测量精度约在1%-3%之间。在接收到的波形中，初动后面跟着一个较长的波列。而脉冲法中，只利用了这个波列的初至时刻这样一个信息，能否从这个波列中提取更多的信息，以改善测量精度呢？为此提出了许多其它方法。值得指出的是，尽管脉冲法精度（特别是测量的绝对精度）不算高，但由于其简单方便，至今仍被广泛地应用着。(2)脉冲回声法 脉冲法中利
19、用超声脉冲的干涉是一种精度很高的方法，它特别适用于小样品的波速测量以及研究弹性参数与温度的依赖关系。遗憾的是，这种方法使用的电子设备过于复杂。脉冲回声法是比伯奇等使用的脉冲法改进了的一种方法，这种方法使用的设备方框图如图。10兆赫的晶体振荡器产生的正弦信号，经过一个三级分频器（原始振荡频率被分频为：1兆赫，50千赫，2千赫）后，将2千赫的信号送至示波器x轴，使其触发扫描，重复周期为500微秒，这2千赫的信号同时经过一个3-5微秒的延迟电路后，触发脉冲发生器产生一个幅度为125-150伏的电压脉冲，该电压脉冲由脉冲发生器的一个振荡槽路输出，使10兆赫的压电晶体产生振动。发射波形和接收到的回声信号
20、都经过前置放大器，再由接收器加以放大。前置放大器上装有锗二极管作成的嵌位电路，对于几百伏的发射信号，该嵌位线路的增益约为0.01，而对于接收到的反射回声信号，增益却为0.96，也就是说，该线路只为回声信号提供通路，而使发射信号急剧衰减，以便两种信号的幅度不致差别过大，这样可以同时在示波器上显示出来。接收器实际上是一个中心频率为10兆赫；带宽为4兆赫的带通放大器，它可以有效地放大接收信号，并压制其他干扰信号。图中仪器系统各环节的振动波形如图所示。在示波器上，可以看到如图的波形。两个相邻回声信号的时间间隔(上图中以T表示)可以通过判读示波器照片或用时间测定仪测出，测量精度可达10-3，样品的厚度L
21、可以用千分表测准至10-3毫米，于是波速V可以求出：V=2L/T 这种测量的精度约为0.5以上，为什么脉冲回声法能比脉冲法测量精度高呢？在脉冲法中，波动在样品与探头间的耦合层中传播需要时间t0，实际波在样品中的传播时间需要从实测时间中扣除2t0，t0一般难于精确测量，而且耦合层在压力，温度变化情况下，其几何参数和弹性参数往往变化。也就是说，即使在某一条件下已精确地测定t0以后，在另一些条件下，t0还会发生变化。因此，耦合层的影响是脉冲法精度不高的主要原因，而在脉冲回声法中我们计算的是相邻两个回声之间的时间间隔，耦合层对两个回声到时的影响是相同的，因此，测定两回声的间隔，完全扣除了耦合层的影响，
22、这是脉冲回声法精度高于脉冲法的主要原因。图915 脉冲法和回声法测量精度的比较 发射探头，2耦合层L 8岩石样品，4耦合层，6接收探头，f波在岩石中单程传播时间干涉法 用超声干涉法测量波速的优点是：可以测量尺度甚小样品中的波速(如1X1X0.5厘米3)，测量精度几乎完全由样品尺度测量精度所限定（该方法在测量弹性波传播时间方面的精度远此几何尺寸测量精度为高），在几种测量波速方法中，这种方法精度最高。这种方法的兴起大约在50年代初期，为了精确地测定岩石和矿物的弹性常数，特别是对于尺寸较小的样品，波速测量几乎是唯一的方法。这个方法最早是贝尔电话实验室的麦克斯克明首先应用的，后来，许多人都采用了这个方
23、法测量波速，并且作了改进(Schreiber，1966，Anderson，1966)。干涉法细分为相位比较法和脉冲迭加法两种，本节仅就后者作简单介绍。这种方法的原理可以用图916的方框图来说明。图916 测量弹性波速的脉冲迭加法方框图 本方法的关键电子设备是脉冲重复振荡器(Pulse Repetition Oscillator PRF)。射频(Radio Frequencyrf)振荡器产生8130兆赫可调的正弦波，经P.R.F.振荡器调制后，输出脉冲正弦波，重复频率由P.R.F.振荡器振荡频率所确定，通常小于1兆赫。P.R.F.振荡器的频率稳定度要求很高，至少为10-7，用一只频率计监视P.R
24、.F.振荡频率的变化。这种脉冲正弦波送至探头上，根据所选择的探头的振动类型，可以激发探头产生P波和S波，波在样品中传播，遇到边界时产生反射波-回声，这种回声，也被同一探头接收。调整脉冲重复频率（P.R.F.），使脉冲的重复间隔严格地为声波在样品中一次往返所需时间的整数倍，当这个条件满足时，发射脉冲就迭加在接收到的回声信号上了。如果这个整数为1，则样品中每个回声都与发射脉冲相重合。如果这个整数为2，则每隔一个回声都与发射脉冲相重合(图917)。实际使用中大多取这个整数值为1。在这种条件下，示波器上只能看见发射脉冲，而反射回声波形完全与发射脉冲信号重迭了。为了能在示波器上观测到回声信号，从方框图9
25、16可以看出，在施加发射脉冲之后，由示波器向脉冲振荡器送一闸门电压，使得只有某些脉冲信号才能够发射，而另一些，则由闸门电压控制，不发射信号，从而给回声信号以显示的机会。于是从示波器上也可以看到回声的波形。当发射信号与回声信号完全叠加时，其回声信号振幅最大，在示波器上将发射信号与回声信号进行比较，使发射脉冲中的射频信号相位与接收到的脉冲正弦信号的相位对齐，这时，测量的脉冲重复周期t与弹性波在样品中往返时间d的关系式为：上式中t是在发生干涉时脉冲重复周期，d是样品中真正的时间走时，f是射频(rf)振荡器的频率，9是由于样品与探头耦合层所造成的相位漂移，求出d后，波速立刻可以求出：L是样品的长度。现在来分析一下这种方法的测量精度，一般而言，10，10MHz，260这项大约是10-10或更小的数量级。因此走时6的测量精度同的测量精度。从前面讲的的精度由脉冲振荡器和适当的频率计决定，精度达10-7-10-6，因此，在波速测量中，这个方法具有相当高的精度。输入 同步输出 同步样品样品发 接射 收发射探头接收探头发射探头接收探头发射机发射机接收机接收机结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！46